渦旋真空泵運行工況流場的計算機模擬研究

　　渦旋真空泵是利用渦旋原理研制的一種真空獲得設備，它利用容積的變化來實現(xiàn)氣體的壓縮與輸運。渦旋真空泵主要由動、定渦旋盤與機座、曲軸、渦旋盤頂部密封條、防自轉機構以及驅動電機等部件組成。

　　作為一種新型清潔無油真空獲得設備，渦旋真空泵由于結構方面的原因，性能影響因素比較多。在對各部件進行設計時，既要考慮各部件之間嚴格的公差配合，保證泵的正常運行，達到要求的極限真空度和抽速，又要保持在抽真空過程中低振動、低泄漏量、高壓縮比等諸多性能。這樣，在設計優(yōu)化階段對渦旋真空泵進行相關參數模擬分析就顯得很有必要。

　　本文通過對渦旋真空泵運行過程中動、定渦旋盤嚙合形成的月牙形封閉壓縮腔內流場的模擬，分析渦旋真空泵內部的壓力場分布情況和排氣口速度場分布情況。模擬分析主要采用有限元分析軟件ANSYS 和C++語言進行。

圖1 渦旋真空泵工作過程模擬

1、渦旋真空泵工況分析及試驗條件的簡化

1.1、工況分析

　　渦旋真空泵對氣體的壓縮輸運過程主要是低壓氣體被從大定渦旋盤上開設的吸氣口吸入，在動、定渦旋盤圍成的月牙形封閉壓縮腔中對氣體封閉、壓縮、輸運，隨動渦旋盤經1440°旋轉后，壓縮氣體由大定渦旋盤中心處的排氣口排出。在渦旋真空泵運行期間，月牙形封閉壓縮腔內氣體的壓力場和速度場呈周期性變化。

1.2、實驗條件簡化模型

　　在ANSYS中采用直接建模的方法，依據渦旋真空泵實際原形大小，結合排氣口的結構形狀特點，參照相應的簡化模型尺寸建模，最后得到比較合理的排氣口速度場圓臺狀的三維模型，采用精細度最適宜的智能網格劃分方法，施加邊界條件后生成三維有限元立體模型如圖2 所示。

圖2 排氣口速度場有限元立體模型圖

2、速度場的ANSYS模擬結果

　　實驗模擬基本參數設定為：電機功率750W，排氣口壓力101350Pa ，轉速1450r/min ，流量8L/s ，泵材質為鋁合金，重量36kg，極限真空度為1Pa。

　　模擬過程中采用國際統(tǒng)一單位：米、帕斯卡、秒、開爾文、牛頓、千克等，具體使用的主要參數為：空氣密度為2.7^{- 6}，粘滯系數為2^{- 5}, 紊流動能取值-1，紊流能量耗散率取值-1。

　　通過流量計算, 得出排氣口速度為212m/s，采用FLOTRAN CFD模塊和定義單元類型3DFLOTRAN 142,在ANSYS中對排氣口速度場進行工況模擬，結果如圖3所示：